Los investigadores de KAUST en colaboración con investigadores del Instituto de Tecnología de California han desarrollado un algoritmo que mejora las simulaciones de flujos turbulentos al permitir el cálculo preciso de un parámetro llamado fricción de la piel. La aplicación de este algoritmo puede ayudar a las industrias aeroespacial y marítima en su carrera por desarrollar un transporte más eficiente en el consumo de combustible.
Calculando flujo turbulento sobre cuerpos de acantilados, como esferas o cilindros, es fundamental para muchas aplicaciones prácticas de ingeniería. Sin embargo, La gran cantidad de parámetros involucrados en la resolución de simulaciones de turbulencia con alta precisión significa que los investigadores deben tomar atajos, generalmente solo grandes, los remolinos en forma de remolino se calculan exactamente, mientras que las escalas de movimiento más pequeñas solo pueden modelarse de manera aproximada.
Aunque las simulaciones de remolinos grandes han reproducido con éxito muchos tipos de turbulencia, todavía tienen problemas con un fenómeno conocido como la crisis del arrastre. Normalmente, la estela turbulenta que sigue a un objeto en movimiento determina la cantidad de resistencia que produce. Pero bajo ciertas condiciones, una capa límite en forma de remolino se adhiere al cuerpo y disminuye el tamaño de la estela, y el arrastre asociado, incluso cuando aumenta la velocidad del flujo a su alrededor. Hoyuelos en pelotas de golf por ejemplo, están diseñados específicamente para reducir la velocidad a la que se produce la crisis de arrastre, permitiendo a los golfistas conducir la pelota mucho más lejos de lo que podrían hacerlo con una pelota suave.
Según el físico de KAUST, Ravi Samtaney, Uno de los problemas para predecir los efectos de la crisis de arrastre es capturar los cambios sutiles en las capas límite y la fricción dentro de una dinámica de fluidos muy compleja. "Los cálculos de fuerza bruta simplemente no son posibles:el flujo exacto sobre un Boeing 777 requeriría más puntos de datos que la cantidad de bytes en todo Internet, ", dice." Teníamos que encontrar un método mejor para modelar pequeñas escalas de movimiento ".
El equipo se dio cuenta de que la fricción de la piel, una fuerza tangencial que a menudo se pasa por alto ejercida por objetos engañosos sobre fluidos, podría proporcionar una clave para comprender el mecanismo físico de la crisis de arrastre. Investigaron un modelo en el que el fluido fluye sobre un cilindro de paredes lisas y las paredes físicas realistas generan efectos de turbulencia. Al incorporar métodos para el cálculo preciso de la ecuación de fricción cutánea en su código, resolvieron cambios en la turbulencia cercana a la pared que incluían separaciones y burbujas sorprendentemente inestables dentro de las capas fronterizas en la zona de crisis de arrastre. Esto les permitió identificar la física que controla el inicio de la crisis de resistencia a medida que aumenta la velocidad del fluido.
"Calcular la fricción de la piel es complicado porque se define directamente en la superficie del cilindro, "explica el investigador de KAUST, Wan Cheng. "Aunque contribuye solo con un pequeño porcentaje a la resistencia total, en última instancia, está vinculado a las fuerzas que actúan sobre el cilindro y es una herramienta poderosa para la visualización directa de la dinámica de fluidos de la crisis de arrastre.
"Las simulaciones de remolinos grandes son el futuro de la dinámica de fluidos computacional en aplicaciones industriales y aerodinámicas, y la fricción de la piel puede ser una medida importante para optimizar este diseño ", señala Samtaney.
